Un metodo ottico per polarizzare gli elettroni liberi in un ambiente di laboratorio

2 Giugno 2023 feature

Questo articolo è stato esaminato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editor hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità dei contenuti:

• verificati i fatti
• pubblicazione sottoposta al processo di revisione da parte dei pari
• fonte affidabile
• corretta bozza

by Ingrid Fadelli, Phys.org

Gli elettroni polarizzati sono elettroni in cui gli spin hanno un'orientamento "preferito" o sono orientati preferenzialmente in una specifica direzione. La realizzazione di questi elettroni ha notevoli implicazioni per la ricerca in fisica, in quanto può aprire la strada alla creazione di materiali promettenti e consentire nuovi esperimenti. 

Ricercatori dell'Università Normale dell'Est della Cina e dell'Accademia delle Scienze del Henan hanno recentemente introdotto un nuovo metodo per polarizzare gli elettroni liberi in ambiente di laboratorio mediante tecniche ottiche a campo vicino, che comporta l'applicazione di fasci di luce da un dispositivo ottico posizionato vicino a un campione. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, potrebbe aprire interessanti nuove possibilità per la fisica ad alta energia, lo sviluppo della tecnologia quantistica e la scienza dei materiali.

"L'idea iniziale per questo studio ha preso radici due anni fa mentre ero un ricercatore post-dottorato nel gruppo del professor Francisco Javier Garcia de Abajo, rinomato per il loro lavoro teorico sulle eccitazioni ottiche in raggi di elettroni", ha detto Deng Pan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org. "Da allora, il campo della microscopia a elettroni indotta dalla luce (PINEM) ha guadagnato slancio, emergendo come un argomento prominente nella microscopia a elettroni."

PINEM è una promettente tecnica di microscopia che potrebbe consentire ai ricercatori di manipolare le proprietà quantistiche degli elettroni, che potrebbero potenzialmente svelare nuovi meccanismi di calcolo quantistico che si basano su elettroni liberi. I lavori precedenti hanno principalmente cercato di utilizzare questa tecnica per manipolare gli orbitali e i momenti degli elettroni. Nel loro studio, Pan e il suo collega Hongxing Xu hanno deciso di esplorare il suo potenziale uso per la polarizzazione degli elettroni liberi.

"Ho cominciato a interrogarmi se un approccio simile potesse essere impiegato per alterare lo stato di spin degli elettroni o persino polarizzare i fasci di elettroni", ha detto Pan. "Intraprendere discussioni con diversi esperti nella teoria del raggio di elettroni, la maggior parte di essi credeva che tale effetto fosse indetectabile, dato che il campo magnetico all'interno del campo elettromagnetico è significativamente più debole rispetto alla componente del campo elettrico. Di conseguenza, è stato sia sorprendente che inaspettato che i miei calcoli abbiano dimostrato infine il considerevole effetto di polarizzazione degli elettroni nel campo ottico vicino."

Il metodo ottico introdotto da Pan e Xu trae ispirazione da PINEM, poiché si basa su un approccio simile. I ricercatori hanno utilizzato una serie di nanofili (ovvero una periodica nanostruttura) con una costante di reticolo accuratamente progettata. Il loro design ha garantito una corrispondenza di campo vicino tra la velocità dell'elettrone in ingresso e la struttura, garantendo una forte interazione tra di essi.

"C'è una differenza fondamentale tra la mia proposta e il sistema PINEM", ha spiegato Pan. "L'effetto PINEM è indotto dalla componente del campo elettrico parallela al fascio di elettroni. In contrasto, abbiamo utilizzato un campo elettrico trasversale (TE) vicino, che possiede solo il campo elettrico perpendicolare al fascio di elettroni. Perché abbiamo optato per questo campo elettrico TE? La risposta è strettamente legata ad un altro affascinante argomento nella nanofotonica noto come momento angolare di spin trasversale o interazione spin-orbita nei campi vicini ottici."

Il campo elettrico TE applicato dai ricercatori ha un campo magnetico circolarmente polarizzato. Di conseguenza, può essere utilizzato per manipolare gli spin degli elettroni, proprio come altri campi possono essere utilizzati per controllare gli spin quantistici.

"Un fascio di elettroni di spin si dimostra essere uno strumento prezioso nello studio dei materiali magnetici e della fisica ad alta energia, tra le altre aree", ha detto Pan. "La nostra ricerca illumina anche la realizzazione che, sebbene più debole in confronto alla componente del campo elettrico, la componente del campo magnetico nel campo ottico vicino può essere sfruttata per raggiungere risultati imprevisti."

Pan e Xu sono tra i primi a introdurre un metodo ottico affidabile per preparare gli elettroni di spin in un ambiente di laboratorio. In futuro, il loro approccio potrebbe essere adattato e utilizzato da altre squadre di ricerca per creare fasci di elettroni polarizzati in spin, ispirando inoltre lo sviluppo di nuovi approcci di calcolo quantistico che sfruttano sia gli spin degli elettroni che i fotoni.

'With the direction provided by this work, there is still an extensive theoretical space to explore, such as the potential for quantum information processing combining electron and photon spins,' Pan added. 'However, I believe the most crucial aspect is the experimental demonstration of the proposal outlined in this study. I have already discussed this work with several experimentalists, and they have expressed optimism regarding the feasibility of achieving our results in experiments.'

Journal information: Physical Review Letters

© 2023 Science X Network